磁学的发展与重要磁性材料的应用
摘要：回顾了磁学的研究和发展，介绍了磁性材料若干新的发现、性能及应用， 同时展望了磁性材料的发展趋势和研究开发的重点。
关键词：磁性材料；交换作用；纳米微晶
前言：早期人们对磁性的认识起源于磁现象，我国在公元前700年前就有了磁性方面的记载，然而磁学作为一门真正的科学来研究却始于17世纪。19世纪，奥斯特与法拉第发现了电与磁之间可以相互转换一电磁感应现象，麦克斯韦电磁场理论与洛伦兹电子论的建立，使磁学的研究进入了物质微观世界。
19世纪末20世纪初，P．居里对物质抗磁性，顺磁性进行了研究，居里揭示了物质磁性与温度之问的关系，随后，朗之万和外斯分别在经典统计力学和分子场近似理论的基础上推出了居里定律和居里_外斯定律，接下来的研究者又相继发展了物质铁磁性、反铁磁性、亚铁磁性、螺旋结构、散磁结构等；以及相应的直接交换作用、超交换作用、RKKY交换作用、交换耦合作用、分子磁交换作用；通过对各种软磁材料、硬磁材料、磁致伸缩材料、磁存储材料、微波磁性材料和分子磁性材料的研究和应用，极大的深化了对磁畴、磁化过程、反磁化过程、分子磁性理论的认识。目前，磁学的理论研究已经进入了如何将物质磁性理论物理模型付诸实践计算，分析分子磁性起源，合理解释磁性现象的阶段，相信磁学在2I世纪将会取得更大的成就。下面就将伴随磁学发展的磁性材料的应用作简单的介绍。
1 铁氧体磁性材料
铁氧体磁性材料是指铁元素和其它一种或几种适当的金属或合金元素的复合化合物。磁铁矿是人类最早接触到的铁矿石。当代的铁氧体磁性材料在各方面都有了重要的进展：钡六方铁氧体(Ba1-xLaxFe12019)作为高密度磁性记录材料有着优良的性能；NiZn铁氧体作为软磁铁氧体材料受到重视；一是因为宽带高频及抗EMI应用，二是多层片式器件中共烧NiZn铁氧体高磁导率的μi.实验室结果已经达到23000；高磁能积NeFeB永磁铁氧体采用了SC技术和RIP工艺已获得磁体性能达到：Br=1．48 T，Hci=820 kA／m，(BH)max=423 kJ／m3。目前， 铁氧体磁性材料的研究重点大致在以下几个方面：一是基础科学理论研究，包括铁氧体以及相关材料结构，化学分析，晶体生长，烧结与晶微结构理论，薄膜，多层膜结构理论，磁性复合材料理论等；二是铁氧体的制备工艺与应用，主要有原材料、制粉、成型、烧结等制造工艺，软磁、永磁、微波、磁记录、磁光及其应用，生物磁学及医疗应用，转换器、传感器及其应用等；三是一些特别关注的问题，如：铁氧体在EMC中的应用；铁氧体工业的环境问题及回收利用；铁氧体及相关材料的纳米结构；原子尺度的观察与测量；磁性液体，磁流体及新的磁场效应等。
2 稀土磁性材料
稀土元素由于其独特的4f电子结构，大的原子磁矩，很强的自旋轨道耦合磁矩等特性决定了它具有广泛的用途，特别是当稀土元素与其它元素形成配合物时．具有丰富的磁学、电学及光学特性。如稀土永磁材料R2Fe17Nx(R-Sm、Th等元素，Nd2Fe14B具有更高的居里温度和更高的磁晶各向异性而受到重视)；稀土磁致伸缩材料(稀土超磁致伸缩材料的磁致伸缩系数已达到(500～2000)×10-6；稀土磁光材料(其记录密度比一般磁盘大10倍以上)；稀土磁致冷材料(Gd或Gd合金，目前20 K以下的低温磁致冷装置在某些领域己实现实用化)；稀土巨磁阻材料(例如用高真空直流磁控溅射法在玻璃为底和4英寸Si(100)上制备的多层膜，主要用作磁记录或磁传感器材料)。目前，稀土磁性材料的研究重点主要在以下几个方面：一是加强稀土磁性材料的理论研究，完善现有的工艺理论体系：二是发掘新的稀土磁性材料，开发其新功能；三是缩短实验室研究与工业化时间，加强产业开发。
3 纳米磁性材料
纳米磁性材料是2O世纪8O年代出现的一种新型磁性材料， 当颗粒尺寸为纳米级时， 由于纳米颗粒的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应，其多种电磁特性或物理特性将发生变化，例如光吸收显著增加，并产生等离共振频移，磁有序态向磁无序态、超导向正常相的转变，声子谱发生改变等。当纳米级强磁性颗粒(Fe-Co合金，氧化铁等)尺寸为单磁畴临界尺寸时，具有甚高的矫顽力，可制成磁性信用卡、磁性钥匙，磁性车票等，还可以制成磁性液体，广泛的用于电声器件、阻尼器件、旋转密封、润滑、选矿等领域。铁磁性的物质进入纳米(-5nm)级，由于由多畴变成单畴，显示出极强的顺磁效应，研究表明颗粒为6 nm 的纳米铁晶体的断裂强度较之多晶铁提高了12倍，纳米金属的磁化率是普通金属的2O倍，而饱和磁矩是普通金属的1／2，软磁性能达到高磁导率、高磁感应强度和低矫顽力，而硬磁性能则达到最大磁能积、剩磁、矫顽力三者并高，其中最大磁能积更是翻了数倍。以Fe为主的合金纳米磁粉，添加Co、Ni后，其粉粒长轴为150nm，短轴为30nm，比Co-r-Fe203细， 为Hc为120-160 kA／m，Br为0．23-0．30T，可用于涂布型磁带可获得高密度输出：1998年著名的Finement纳米微晶软磁材料Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9问世以来具有高的软磁性能，作为工作频率为30kHz的2kW开关电源变压器质量仅为300g，体积仅为铁氧体的1/5，效率高达96％：纳米磁致冷材料也取得了重要进展，2O世纪8O年代采用的Gd3Ga5O12(GGG1型的顺磁性石榴石化合物成功应用于1.5-15 K的磁致冷)，20世纪9O年代用Fe离子取代部分Gd离子研制出15-30K 温区较好的磁致冷材料，我国对稀土类钙钛矿化合物LaMnO 进行了大量的研究，获得了一些磁熵变较大，居里点可调，价格相对便宜的材料，如能解决居里点上调到室温时磁熵变大幅下降的问题，则该类材料有较大的应用前景； 四川大学还研制了GdSiSeX四大合金材料，并已申请了专利。目前纳米微晶磁性材料的制备方法主要有非晶晶化法和机械合金法，随着制备手段的提高，制备技术的改进，纳米磁性材料的性能有望进一步提高，其应用必将更加广泛。目前，纳米磁性材料的研究和发展方向主要集中在以下几个方面：1．纳米磁性材料的基础理论研究(包括成分、结构和性能等1：2．纳米磁性材料的多元化和制备手段：3．纳米磁性材料实际应用技术。
4 生物磁性材料
磁性材料在人体上的应用很早，远在2000多年前，我国和国外均有利用磁石(磁铁矿)作为内服和外用药物治病的记载。如我国明代著名药物学家李时珍的著作《本草纲目》(公元578年)中便描述磁石的气味(性能)为：辛、寒、无毒，列举了磁石在医药上的1O余种应用，都附有处方和用法，建国后我国审定的正式药典《中华人民共和国药典》(1963年)中亦有记载磁石以及磁石为重要中药的成分、功能和主要病症。2000多年来，生物磁性材料的研究和应用有了很大的进展， 如铁氧体磁性细粉(如镁铁氧体MgF2eO4)或磁石作造影剂，可替代钡盐，将磁化过的永磁铁氧体微粉作为示踪剂：2O世纪9O年代初日本海老尺辛等学者研制出具有生物活性的(FeO，Fe2O3-CaO-SiO2)微晶玻璃作为治疗癌症特别是骨瘤的人工发热体：还有用作磁性药物微球的正铁酸盐等，以及人工骨材料的磁性多孔磷酸三钙陶瓷人工骨材料(MPTCP)。肿瘤热疗是利用物理方法加热癌变组织，使癌变组织升温，达到杀灭癌细胞的特定温度以消除恶性肿瘤的一种治疗手段。肿瘤热疗法由来已久，但由于早期设备和技术所限，加之2O世纪以手术、放疗、化疗相结合为主的肿瘤治疗手段的形成，使得热疗的发展几乎停滞不前尽管有些生物磁性材料还处于试验室阶段，但随着生物磁学，材料科学，生物工程，临床医学以及各种基础生物科学的进一步发展，在不久的将来，生物磁性材料一定会在临床上得到更广泛的应用。特别是21世纪是生物科学的世纪，科学家已经指出，21世纪生物科学的发展将主要会在以下几个方面：1．生物体中的磁现象；2．磁场对生物体的影响；3．磁性手段在生物研究中的应用。
5 展 望
成本和下游产业链的变化，造成了世界磁性材料产业链在欧洲一美国一日本一中国的转移．目前国内磁性材料的产量已占世界的60％。由于世界上尚无其它地区能够为磁性材料行业提供如此有利的生产环境，该行业向国内的转移将成为长期的趋势永磁材料、软磁材料等均有其优势应用领域，从技术和市场的角度出发，这些材料仍将长期并存发展。随着电子信息行业及汽车行业的快速增长，将带动磁性材料需求的持续增长。预计未来几年世界铁氧体磁性材料的市场需求将保持15％的年增长率。
近几年来新型磁性材料研究非常引人注目。这些研究涉及科学的各个领域，这些磁性材料在提供磁场。能量转换，传感器，激励与数据存储器件，医疗等方面已经取得了应用。本文介绍的磁性材料是对原来磁性材料改进或发展的全新材料，每一种材料都有最主要的性能和特点，可以看出，新型功能磁性材料和纳米磁性材料将是未来一段时间研究的热点。
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